Кольцо ярких звезд вокруг Земли породил гигантский сгусток темной материи

По легенде, доблестный охотник Орион очень боялся огромного Скорпиона, поэтому на небе их никогда нельзя увидеть вместе. Древние греки поместили два созвездия в противоположные точки небесной сферы, и, как только созвездие Скорпиона выползает в небо, Орион прячется за горизонт.

Пояс Гулда

На самом деле у ярких звезд этих двух созвездий есть кое-что общее. Еще в середине XIX века английский астроном Джон Гершель (сын Уильяма Гершеля, в честь которого назван полетевший недавно в космос телескоп) заметил, что большинство ярких, молодых и горячих звезд выстроено на небе примерно вдоль одной линии. Притом эта линия не совпадает с плоскостью Млечного Пути, в которой концентрируются менее яркие звезды. Через несколько десятков лет американский астроном Бенджамин Гулд замкнул линию Гершеля, показав, что она образует на небе кольцо. Это кольцо сейчас называют поясом Гулда; в него входят и Орион, и Скорпион, и яркие звезды многих других созвездий.

[v1] За полтора века ученые узнали об этом поясе гораздо больше Гершеля и Гулда. Он наклонен к плоскости Галактики под углом около 15-20 градусов, имеет массу около 1 млн солнечных масс, размер 2-3 тыс. световых лет, немножко вытянут в одну сторону, вращается как единое целое и медленно расширяется. Солнце находится недалеко от центра этого сплюснутого кольца, который расположен в 400-500 световых годах от нас где-то в направлении созвездия Персея. Именно это удачное расположение внутри пояса и позволяет нам любоваться кольцом ярких звезд на небе.

Возраст этой структуры по астрономическим меркам очень небольшой, примерно от 30 млн до 60 млн лет; динозавры, вымершие 65 млн лет назад, не могли видеть ни одной из звезд пояса. Массивные голубые звезды долго не живут, и некоторые из них уже готовятся к смерти. Например, α Скорпиона -- Антарес, одна из ярчайших представительниц пояса Гулда, уже прожила большую часть жизни и перешла на один из последних ее этапов -- стадию красного сверхгиганта.

Волна по кругу

Астрономы до сих пор не знают, что случилось 30 млн, 40 млн или 60 млн лет назад, вызвав к жизни исполинскую структуру. По одной из версий, мы имеем дело с волной звездообразования, разбегающейся от центра к краям огромного облака молекулярного газа, которое кружится вокруг центра нашей Галактики.

[v2] Согласно сценарию все начинается с появления нескольких массивных звезд где-то в центре облака. Самые большие живут всего порядка 1 млн лет, после чего превращаются в сверхновые. Ударная волна от взрыва и мощный звездный ветер невзорвавшихся звезд сжимают газ в округе, что помогает рождению новых светил. Некоторые из них вскоре тоже взрываются, другие ярко светят, и процесс повторяется по всему фронту. Получается своего рода волна замедленной детонации, которая бежит наружу, к еще не затронутому взрывами газу. В итоге образуется расширяющееся звездное кольцо.

К сожалению, эта красивая теория индуцированного звездообразования не объясняет ни вытянутой формы пояса Гулда, ни его наклона к плоскости Галактики. Да и мощности первого взрыва, по расчетам, оказывается недостаточно, чтобы разогнать затем волну на тысячи световых лет, -- приходится предполагать, что в начальный момент рвануло одновременно несколько сверхновых.

По другой версии, изначальный толчок всему процессу дало столкновение того же гигантского облака молекулярного газа с другим газовым облаком. Но если первое чинно обращалось вокруг центра Галактики в плоскости Млечного Пути, как и положено гигантским молекулярным облакам, то второе было небольшим, но скоростным. Такие облака в нашей Галактике тоже есть, движутся они по нерегулярным орбитам, и одно из них вполне могло ударить будущий пояс Гулда сверху или снизу. Удар искоса может объяснить искривленность и наклон, но что произошло с этим скоростным облаком и где оно теперь, непонятно.

Темный исполин

Кэндзи Бэкки из университета австралийского штата Новый Южный Уэльс полагает, что знает, где находится возмутитель спокойствия. По версии Бэкки, он расположен в 9 тыс. световых лет от Земли, на юге созвездия Весов. Это настоящий исполин: его характерный размер составляет около 1 тыс. световых лет, а масса в 30 млн раз превышает массу Солнца. Но не спешите пялиться в созвездие Весов и раскочегаривать свои радиотелескопы. Возмутителя спокойствия нельзя увидеть -- это сгусток темной материи.

[v3] Именно темная материя является главным двигателем роста космических структур, обычного вещества для этого недостаточно. Миллиарды лет назад Вселенная была однородна, как суп-пюре без гренков. Однако со временем чуть более плотные области темной материи притягивали к себе окружающее вещество, становясь еще более плотными и выключаясь из процесса всеобщего расширения Вселенной. К этим комочкам стекался газ, и позднее из него появились звезды, по свету которых теперь можно проследить устройство космоса. Однако именно темное вещество -- настоящий невидимый каркас этой структуры.

Каркас собирался снизу вверх: крохотные комочки вещества объединялись в сгустки покрупнее, те -- в еще большие гало, и так далее вплоть до гало масштабов галактик и их скоплений. Притом сгустки субгалактических масштабов еще не до конца растворились в большом гало Млечного Пути. По подсчетам теоретиков, таких субгало в нашей Галактике должно быть около сотни. Бэкки моделировал движение одного из них.

Работа года

Ученый оценил, насколько часто темные сгустки таких масс должны врезаться в крупные (массой больше 100 тыс. солнечных) облака молекулярного газа, населяющие дисковую компоненту нашей Галактики. Получилось, что такие удары должны случаться в среднем раз в четверть миллиарда лет. Возраст Млечного пути около 10 млрд лет, так что такие столкновения отнюдь не редкость.

Далее Кэндзи Бэкки попробовал выяснить, какие условия удара приведут к образованию структуры, похожей на пояс Гулда -- большого, вытянутого, расширяющегося звездного кольца, наклоненного к плоскости Млечного Пути и расположенного в правильном месте. Астроном моделировал столкновение с помощью программы GRAPE-SPH, созданной им в сотрудничестве с Масаси Тибой из японского Университета Тохоку. Программа позволяет одновременно учитывать и гидродинамические эффекты в газовом облаке, на которое действует притяжение пробивающего его сгустка темной материи, и движение миллионов частиц самого облака под действием притяжения друг друга, газового облака и оставшейся части Галактики.

Как признался астроном в интервью Infox.ru, чтобы найти подходящие параметры, ему потребовалось перебрать с полсотни вариантов. На обсчет каждого требуется около недели вычислений суперкомпьютерной системы GRAPE 7, предназначенной специально для расчетов такого рода. Так что полное компьютерное время, затраченное на работу, составило примерно год; к счастью, оно было разделено между несколькими машинами в Австралии и родной для Бэкки Японии.

Решение, в котором появилась структура, более всего напоминающая реальный пояс Гулда, описано в статье, принятой к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; она доступна в архиве электронных препринтов Корнельского университета.

История удара

Расчеты начинаются за 45 млн лет до сегодняшнего дня, когда на Земле едва-едва появились первые предки отряда приматов, а Солнце находилось совсем в другом секторе нашей Галактики. В этот момент сгусток темной материи находится в 2 тыс. световых лет под плоскостью Млечного Пути на расстоянии около 2,5 тыс. световых лет от центра молекулярного облака. Спустя примерно 7 млн лет сгусток на скорости около 100 км/с врезается в подбрюшье облака неподалеку от его центра. Здесь-то и начинается самое интересное.

Сильное притяжение сгустка уплотняет центральные части облака, запуская в нем звуковую волну плотности, расширяющуюся от центра к краям. Это сжатие провоцирует активное рождение миллионов новых звезд: через 5 млн лет после начала внедрения темного сгустка в газовое облако здесь появляется примерно по одной звезде в год, что сравнимо со скоростью образования звезд в нашей Галактике в целом. Впрочем, длится этот максимум недолго: через 15 млн лет, когда темный сгусток покидает облако газа, скорость рождения звезд уменьшается примерно в 30 раз.

[v4] Тем не менее звуковая волна плотности продолжает распространяться к краям облака, и теперь большинство звезд появляется уже вдоль огромного расширяющегося кольца. Притяжение сгустка тем временем накреняет кольцо к плотности Галактики, а приливное воздействие последней искривляет кольцо, превращая его в тот пояс Гулда, который знаком земным наблюдателям. Получившееся кольцо вращается и расширяется, а его ось медленно поворачивается -- так, как прецессирует ось быстро вертящейся детской юлы.

Что же до темного сгустка, на нем это столкновение практически никак не сказывается. Масса газового облака слишком мала, чтобы оказать заметное гравитационное влияние на составляющие сгусток частицы темной материи, а ни в каких других взаимодействиях они не участвуют. Темное субгало проходит через облако, почти не заметив его, движется по своей траектории дальше и готово помочь рождению нового звездного кольца, если на пути встретится подходящее облако газа.

Следы остались

Модель Бэкки не только объясняет наблюдаемые характеристики пояса Гулда, но и делает несколько предсказаний, которые можно будет проверить в ближайшее время. Одно из них -- медленная прецессия оси диска, заметить которую должен быть в состоянии европейский астрометрический спутник GAIA, запустить который планируется в ближайшие два-три года. Этот космический аппарат с гигапикселной фотокамерой очень точно измерит положение и направление движение порядка миллиарда звезд, в число которых попадут и почти все звезды пояса Гулда.

Кроме того, последний год астрономическое сообщество бурлит по поводу возможности распада или аннигиляции частиц темной материи, следы которой, кажется, видят несколько космических и наземных экспериментальных установок. Астрономы возлагают большие надежды на космический телескоп имени Ферми, который может уверенно обнаружить такой сигнал, если большой сгусток темной материи находится где-то недалеко от Солнца.

Таким сгустком вполне может оказаться и прародитель облака Гулда. И хотя Бэкки предупреждает, что точное местоположение сгустка указать не так просто -- параметры удара могли быть чуть-чуть иными, -- сигнал распада темной материи из созвездия Весов стал бы очень весомым аргументом в пользу его теории.

Ближе к дому

[v5] Наконец, проход массивного сгустка темной материи невдалеке от Солнца мог оказать влияние и на внешние части Солнечной системы, например на кометное облако Оорта, простирающееся на триллионы километров вокруг Солнца. Ученые полагают, что проход массивного тела в окрестностях Солнца может дестабилизировать их орбиты, направив часть из них во внутренние области нашей планетной системы.

Часть этих сорвавшихся с орбит комет может долететь до Земли, и такой сценарий прежде даже привлекали для объяснения событий массового вымирания видов в истории планеты. Как пояснил Кэндзи Бэкки в интервью Infox.ru, «темный удар» вполне способен, более того, обязан повлиять на эволюцию облака Оорта. Впрочем, исследователь не стал связывать прародителя пояса Гулда с какими-либо следами в истории Земли. За исключением блестящего следа, который он оставил в ночном небе, -- с Орионом, Скорпионом и россыпью других ярких звезд.